一种基于渐变超晶格缓冲层GaN基HEMT外延结构

本发明属于半导体，具体涉及一种基于渐变超晶格空位调控层的gan基hemt外延结构。

背景技术：

1、基于si衬底的algan/gan的高电子迁移率晶体管由于iii-氮化物半导体优越的材料性能，如大能带隙、高击穿电场和高饱和速度，在高功率电子应用中具有吸引力。但是si衬底外延生长gan外延层有很多的困难：首先由于gan和si衬底之间存在较大的晶格失配，这会造成gan外延层中存在大量的位错密度，而gan和si衬底之间较大的热膨胀系数失配，会使gan薄膜在从生长温度降温至室温的过程中，产生巨大的张应力，因而会造成外延层的龟裂，缺陷密度高，翘曲/弯曲度大，进而gan外延薄膜质量低、材料均匀性差，缺陷形成的漏电通道造成器件性能失效，影响器件的击穿特性；为了提升gan的生长质量，其中的核心思想就是设计合适的缓冲层，即可以释放gan层中的应力又可以提高gan的结晶质量。

2、本发明基于上述思想提出一种创新型的渐变超晶格空位缓冲层，渐变超晶格由两种薄膜交替生长产生多层晶界来阻挡位错的运动，同时提供预置压应力来抵消gan层生长时和降温时的拉伸应力，来避免裂纹的产生，降低位错密度和翘曲，从而提升gan外延层和整体薄膜的质量。

技术实现思路

1、本申请提出一种基于渐变超晶格空位缓冲层的gan基hemt外延结构，目的在于降低氮化物外延时在硅衬底上因张应力而产生的高密度位错和裂纹，从而改善基于硅衬底或蓝宝石衬底的氮化物外延生长质量，进而为后续器件的制备提高良好的器件材料特性。

2、发明人通过调研发现，在硅衬底上异质外延氮化镓材料，受硅衬底和氮化镓材料间大晶格失配、高应力、热膨胀系数差异大的影响，会造成硅衬底上的gan薄膜材料产生裂纹，位错密度高，翘曲/弯曲度大，导致(al)gan外延薄膜质量低、材料均匀性差的技术问题。鉴于以上技术问题中的至少一项，本申请提供了的一种基于渐变超晶格空位缓冲层的gan基hemt外延结构，具体技术方案如下：一种基于渐变超晶格空位缓冲层的gan基hemt外延结构，包括衬底基板、衬底基板上一次外延生长有复合aln成核层、algan缓冲层、和3种不同比例的渐变aln/空位gan超晶格应力调控层、gan沟道层、aln空间层、algan势垒层以及gan盖帽层；

3、其中空位gan sl1缓冲层中，空位gan厚度比例为(1：1)-(1：3)，空位gan sl2缓冲层中的aln，空位gan厚度比例为(1：3)-(1:6)，空位gan sl3缓冲层中的aln，空位gan厚度比例为(1:6)-(1:9)；

4、三个渐变超晶格厚度和周期数相同或者不同，该结构中的超晶格与普通超晶格不同，该超晶格由aln、空位gan交替生长而成，其中特别之处在于gan层利用了空位工程，超晶格中每层gan的生长均处于富氮条件，载气为n2，同时为高v/ⅲ摩尔流量比1800-4200，在该条件下可以诱导产生ga空位。氮化物中半导体中的位错攀移运动需要吸收空位，而空位通过消耗压应力产生，这也是gan层中位错攀移消耗压应力的原因。

5、根据相关理论，可以通过调节v/ⅲ的比值来调控化学势能，通过将化学势能来作为ga空位产生的主要驱动力，超晶格的gan层的ga空位被吸收更容易使其中的位错发生弯曲，同时超晶格的中位错密度较大，使位错转弯就更容易使位错合并，形成位错环而湮灭，从而使位错终止向上延伸，减少向上的位错密度，并且空位gan的生长不消耗预置的压应力，更多的预置压应力提供给沟道gan的生长，更好的抵消沟道层gan的张应力，改善gan的晶体质量。

6、优选的，所述衬底基板为硅衬底或蓝宝石衬底，厚度为500～2000nm。

7、优选的，所述复合aln成核层总厚度为100～300nm，第二aln层生长温度要高于第一aln层，第二aln层厚度要大于第一aln。

8、优选的，所述algan缓冲层厚度为500～1500nm，al组分为65％～75％。

9、优选的，所述空位gan sl1缓冲层中，厚度比例aln:gan＝1：1-1：3，空位gan sl1缓冲层的周期数和总厚度分别为10-20、20-60nm。

10、优选的，所述空位gan sl2缓冲层中，厚度比例aln:gan＝1：3-1：6，空位gan sl2缓冲层的周期数和总厚度分别为10-20、20-60nm。

11、优选的，所述空位gan sl3缓冲层中，厚度比例aln:gan＝1：6-1：9，空位gan sl3缓冲层的周期和总厚度分别为10-20、20-60nm。

12、优选的，所述gan沟道层厚度为1000～1500nm。

13、优选的，所述aln厚度为1～2nm。

14、优选的，所述algan势垒层厚度为20nm～30nm，al组分为20％～25％。

15、优选的，所述gan盖帽层厚度为5nm～10nm。

16、本发明的有益效果：

17、本发明通过设计3个渐变比例的aln/空位gan超晶格作为应力调控层和位错阻挡层，在硅衬底和gan材料之间形成缓冲层，来减轻和阻挡si和gan之间晶格失配和热失配，渐变超晶格中的gan引入了空位工程，通过化学势能替代压应力来驱动位错的攀移和弯曲，使位错发生转弯，合并和湮灭，从而有效的阻挡螺位错和刃位错，同时诱导的gan空位在一定程度上可以中和gan层中背景载流子，从而提高缓冲层的耐压能力，该方法可以整体提高外延gan晶体质量和外延片的击穿特性，为后续制备高质量的hemt器件打下基础。

技术特征：

1.一种基于渐变超晶格空位缓冲层gan基hemt外延结构，其特征在于：包括从下至上依次层叠外延的衬底基板、复合aln成核层、algan缓冲层、aln/空位gan sl1缓冲层、aln/空位gan sl2缓冲层、aln/空位gan sl3缓冲层、gan沟道层、aln空间层、algan势垒层以及gan盖帽层。

2.根据权利要求1所述的一种基于渐变超晶格空位缓冲层gan基hemt外延结构，其特征在于，所述衬底基板为硅衬底或蓝宝石衬底，尺寸为4-8英寸。

3.根据权利要求1所述的gan基hemt外延结构，其特征在于，所述复合aln成核层结构中，第一层为低温lt-aln层，第二层为高温ht-aln层，两层成核层厚度分别为20～50nm，100～200nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于渐变超晶格空位缓冲层gan基hemt外延结构，其特征在于，所述algan缓冲层的厚度为500-1500nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于渐变超晶格空位缓冲层gan基hemt外延结构，其特征在于，所述aln/空位gan sl1缓冲层为复合结构，aln与空位gan的厚度比例为(1：1)-(1：3)，其中生长gan层时为富氮氛围，载气换为n2，v族源与iii族源的摩尔流量比为1800-2400，一个aln/空位gan sl1缓冲层周期的总厚度为20-60nm，所述aln/空位gan sl1缓冲层一共有10-20个周期数。

6.根据权利要求1所述的一种基于渐变超晶格空位缓冲层gan基hemt外延结构，其特征在于，所述aln/空位gan sl2缓冲层为复合结构，aln与空位gan的厚度比例为(1：3)-(1：6)，其中生长空位gan层时为富氮氛围，载气为n2，v族源与iii族源的摩尔流量比为3000-3600，一个aln/空位gan sl2缓冲层周期由总厚度为20-60nm，所述aln/空位gan sl2缓冲层一共有10-20个周期数。

7.根据权利要求1所述的一种基于渐变超晶格空位缓冲层gan基hemt外延结构，其特征在于，所述aln/空位gan sl3缓冲层为复合结构，aln与空位gan的厚度比例为(1：6)-(1：9)，其中生长gan层时为富氮氛围，载气为n2，v族源与iii族源的摩尔流量比为3600-4200，一个aln/空位gan sl3缓冲层周期由总厚度为20-60nm，所述aln/空位gan sl3缓冲层一共有10-20个周期数。

8.根据权利要求1所述的一种基于渐变超晶格空位缓冲层gan基hemt外延结构，其特征在于，所述gan沟道层厚度为1000-1500nm，生长温度为1000-1200℃。

9.根据权利要求1所述的一种基于渐变超晶格空位缓冲层gan基hemt外延结构，其特征在于，所述aln空间层厚度1-2nm，生长温度为1000-1200℃。

10.根据权利要求1所述的一种基于渐变超晶格空位缓冲层gan基hemt外延结构，其特征在于，所述algan势垒层厚度20-30nm，生长温度为1000-1200℃；所述gan盖帽层厚度5-10nm，生长温度为1000-1200℃。

技术总结
本发明公开一种基于渐变超晶格空位缓冲层GaN基HEMT外延结构，属于半导体技术领域，包括从下往上依次外延的衬底基板、复合AlN成核层、AlGaN缓冲层、AlN/空位GaN SL1缓冲层、AlN/空位GaN SL2缓冲层、AlN/空位GaN SL3缓冲层、GaN沟道层、ALN空间层、AlGaN势垒层及GaN盖帽层，本发明能够有效调节外延薄膜中的应力，降低氮化镓外延层中的位错密度，获得高结晶，高质量GaN基HEMT外延材料。

技术研发人员：陈兴,谭凯,张进成,陆俊,李永军,赵晔,赵浩男,刘瑜,师小鸥,黎伟正,郝跃
受保护的技术使用者：西安电子科技大学芜湖研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15